JP6840611B2 - Semiconductor devices and their manufacturing methods - Google Patents
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Description
実施形態は、半導体装置及びその製造方法に関する。 The embodiment relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same.
例えば電力制御用の半導体装置(パワーデバイス)として、ゲート電極の下にフィールドプレート電極を備えたMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)構造が提案されている。さらに、フィールドプレート電極の幅を深さ方向に段階的に小さくした構造の提案もなされている(特許文献1)。 For example, as a semiconductor device (power device) for power control, a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) structure having a field plate electrode under the gate electrode has been proposed. Further, a structure in which the width of the field plate electrode is gradually reduced in the depth direction has been proposed (Patent Document 1).
実施形態は、低オン抵抗且つ高耐圧の半導体装置及びその製造方法を提供する。 The embodiment provides a semiconductor device having low on-resistance and high withstand voltage and a method for manufacturing the same.
実施形態によれば、半導体装置は、第1電極と、前記第1電極上に設けられた第1導電形の第1半導体層と、前記第1半導体層上に設けられた第2導電形の第2半導体層と、前記第2半導体層上に設けられた第1導電形の第3半導体層と、前記第3半導体層に接する第2電極と、前記第3半導体層の側面に対向するゲート電極と、前記第3半導体層の前記側面と前記ゲート電極との間に設けられた第1絶縁膜と、前記ゲート電極の下において前記第1半導体層に形成され、前記第1電極に向かうにつれて段階的に幅が小さくなるトレンチ内に設けられたフィールドプレート電極と、前記第1半導体層と前記フィールドプレート電極との間に設けられた第2絶縁膜と、を備えている。前記第2絶縁膜における前記第1半導体層に接する側壁は、前記第1電極と前記第2電極とを結ぶ方向に沿った階段状の段差をもつ。前記フィールドプレート電極は、前記ゲート電極側に設けられた上部と、前記上部よりも前記第1電極側に設けられ、前記上部よりも幅が小さい下部と、を有する。前記第2絶縁膜は、前記フィールドプレート電極の前記上部と前記第1半導体層との間に設けられた第1部分と、前記フィールドプレート電極の前記下部と前記第1半導体層との間に設けられ、前記第1部分よりも膜厚が厚い第2部分と、を有する。前記第1半導体層は、第1領域と、前記第1領域と前記第2絶縁膜の前記側壁との間における前記第2絶縁膜の前記側壁に近接する領域に設けられ、前記第1領域よりも第1導電形不純物濃度が高い第2領域と、を有し、前記第2領域における前記第2絶縁膜の前記第1部分に近接する領域の第1導電形不純物濃度は、前記第1領域の第1導電形不純物濃度よりも高く、前記第2領域における前記第2絶縁膜の前記第2部分に近接する領域の第1導電形不純物濃度よりも低い。 According to the embodiment, the semiconductor device includes a first electrode, a first conductive type first semiconductor layer provided on the first electrode, and a second conductive type provided on the first semiconductor layer. A second semiconductor layer, a first conductive type third semiconductor layer provided on the second semiconductor layer, a second electrode in contact with the third semiconductor layer, and a gate facing the side surface of the third semiconductor layer. and electrodes, the a first insulating film provided between the side surface and the gate electrode of the third semiconductor layer, formed on Oite the first semiconductor layer under the gate electrode, the first electrode It includes a field plate electrode provided in a trench whose width gradually decreases toward the distance, and a second insulating film provided between the first semiconductor layer and the field plate electrode. The side wall of the second insulating film in contact with the first semiconductor layer has a stepped step along the direction connecting the first electrode and the second electrode. The field plate electrode has an upper portion provided on the gate electrode side and a lower portion provided on the first electrode side of the upper portion and having a width smaller than that of the upper portion. The second insulating film is provided between the first portion provided between the upper portion of the field plate electrode and the first semiconductor layer, and between the lower portion of the field plate electrode and the first semiconductor layer. It has a second portion having a film thickness thicker than that of the first portion. The first semiconductor layer includes a first region, provided in the region close to the side wall of the second insulating film in between the side walls of the first region and the second insulating film, than the first region also a second region first conductivity type impurity concentration is high, have a, the first conductivity type impurity concentration in the region adjacent to said first portion of said second insulating film in the second region, the first region It is higher than the concentration of the first conductive impurity in the second region and lower than the concentration of the first conductive impurity in the region close to the second portion of the second insulating film in the second region .
以下、図面を参照し、実施形態について説明する。なお、各図面中、同じ要素には同じ符号を付している。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. In each drawing, the same elements are designated by the same reference numerals.
以下の実施形態では第1導電型をN型、第2導電型をP型として説明するが、第1導電型をP型、第2導電型をN型としてもよい。 In the following embodiments, the first conductive type will be referred to as N type and the second conductive type will be referred to as P type, but the first conductive type may be P type and the second conductive type may be N type.
また、実施形態では半導体材料はシリコンとするが、半導体材料は、シリコンに限らず、例えば、炭化シリコン、窒化ガリウム、酸化ガリウムなどであってもよい。 Further, although the semiconductor material is silicon in the embodiment, the semiconductor material is not limited to silicon, and may be, for example, silicon carbide, gallium nitride, gallium oxide, or the like.
また、以下の実施形態において、不純物濃度はキャリア濃度と置き換えて言うことができる。キャリア濃度は、実効的な不純物濃度とみなすことができる。 Further, in the following embodiments, the impurity concentration can be said to be replaced with the carrier concentration. The carrier concentration can be regarded as an effective impurity concentration.
図1は、実施形態の半導体装置の模式平面図である。
図2は、図1におけるA−A断面図である。
FIG. 1 is a schematic plan view of the semiconductor device of the embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
図1は、図2に表される要素のうち、ゲート電極30、絶縁膜41、ソース層24、およびベースコンタクト領域25の平面レイアウトを表す。また、ゲート電極30の下に設けられたフィールドプレート電極50を、図1において破線で表す。
FIG. 1 shows the planar layout of the
実施形態の半導体装置は、図2に示すように、第1電極としてのドレイン電極11と、第2電極としてのソース電極12との間に半導体層20が設けられ、ドレイン電極11とソース電極12とを結ぶ方向(縦方向)に電流が流れる縦型半導体装置である。半導体層20は、シリコン層である。
In the semiconductor device of the embodiment, as shown in FIG. 2, a
図1に示すX方向およびY方向は、半導体層20の主面に対して平行な面内で互いに直交する方向を表す。
The X and Y directions shown in FIG. 1 represent directions orthogonal to each other in a plane parallel to the main surface of the
図1に示すように、複数のゲート電極30、複数の絶縁膜41、複数のソース層24、および複数のベースコンタクト領域25がX方向に周期的に配列されている。ゲート電極30、絶縁膜41、ソース層24、およびベースコンタクト領域25は、Y方向に延びるストライプ状パターンで形成されている。また、図2に示すベース層23も、ソース層24およびベースコンタクト領域25の下でY方向に延びている。
As shown in FIG. 1, a plurality of
1つのゲート電極30を含む図2に示す1つのユニットにおいて、ゲート電極30は、一対のソース層24(ベース層23)の間に配置されている。絶縁膜41は、ソース層24(ベース層23)とゲート電極30との間に配置されている。
In one unit shown in FIG. 2, which includes one
図2に示すように、半導体層20は、N+形のドレイン層21およびN形のドリフト層22を含む第1半導体層と、P形のベース層(第2半導体層)23と、N+形のソース層(第3半導体層)24と、P+形のベースコンタクト領域25とを有する。
As shown in FIG. 2, the
ドレイン層21およびソース層24のN形不純物濃度は、ドリフト層22のN形不純物濃度よりも高い。ベースコンタクト領域25のP形不純物濃度は、ベース層23のP形不純物濃度よりも高い。
The concentration of N-type impurities in the
ドレイン層21は、ドレイン電極11上に設けられ、ドレイン電極11に接している。ドレイン電極21上に、ドリフト層22が設けられている。ドリフト層22上に、ベース層23が設けられている。ベース層23上に、ソース層24が設けられている。ベース層23において、ソース層24が設けられていない領域の表面にベースコンタクト領域25が設けられている。
The
ゲート電極30は、ベース層23の側面に対向している。ゲート電極30と、ベース層23の側面との間に、絶縁膜(ゲート絶縁膜)41が設けられている。ゲート電極30上に、層間絶縁膜45が設けられている。
The
その層間絶縁膜45を覆うようにソース電極12が設けられ、ソース電極12はソース層24およびベースコンタクト領域25に接している。
A
ゲート電極30の下に、フィールドプレート電極50が設けられている。図2に示す例では、ゲート電極30とフィールドプレート電極50との間に絶縁膜42が設けられ、ゲート電極30とフィールドプレート電極50は互いに分離されている。
A
フィールドプレート電極50はドリフト層22内に設けられ、フィールドプレート電極50とドリフト層22との間には絶縁膜43が設けられている。フィールドプレート電極50はドリフト層22に接していない。絶縁膜43はシリコン酸化膜である。
The
フィールドプレート電極50の幅は、縦方向(深さ方向)に一様ではなく、縦方向に段階的に変化している。フィールドプレート電極50の幅は、ゲート電極30側の上部50aからドレイン電極11側の下部50bに向かって段階的に小さくなっている。フィールドプレート電極50の側壁は、縦方向に沿った階段状の段差をもつ。
The width of the
フィールドプレート電極50は少なくとも2つの異なる幅をもつ。図2に示す例では、フィールドプレート電極50は3つの異なる幅をもつ。すなわち、フィールドプレート電極50は、上部50aと、下部50bと、中間部50cとを有する。
The
上部50aは下部50bよりもゲート電極30側に設けられ、下部50bは上部50aよりもドレイン電極11側に設けられ、下部50bの幅は上部50aの幅よりも小さい。上部50aと下部50bとの間に中間部50cが設けられ、中間部50cの幅は上部50aの幅よりも小さく、下部50bの幅よりも大きい。上部50aと下部50bとの間に、2つ以上の異なる幅をもつ2つ以上の中間部が設けられてもよい。
The
絶縁膜43は、フィールドプレート電極50の上部50aとドリフト層22との間に設けられた第1部分43aと、フィールドプレート電極50の下部50bとドリフト層22との間に設けられた第2部分43bと、フィールドプレート電極50の中間部50cとドリフト層22との間に設けられた中間部分43cとを有する。
The insulating
絶縁膜43の膜厚は、ゲート電極30側の第1部分43aからドレイン電極11側の第2部分43bに向かって段階的に厚くなっている。第2部分43bの膜厚Tbは、第1部分43aの膜厚Taよりも厚い。中間部分43cの膜厚Tcは、第1部分43aの膜厚Taよりも厚く、第2部分43bの膜厚Tbよりも薄い。図2に示す例では、絶縁膜43の側壁は、縦方向に沿った階段状の段差をもつ。
The film thickness of the insulating
図2には、絶縁膜43の3段階の膜厚差変化を示すが、絶縁膜43の膜厚差変化は少なくとも2段階の変化であればよい。また、絶縁膜43は4段階以上の膜厚差変化をもっていてもよい。
FIG. 2 shows a three-step change in the film thickness of the insulating
ドリフト層22は、第1領域22cと、その第1領域22cと絶縁膜43の側壁との間に設けられた第2領域22aとを有する。第2領域22aは、絶縁膜43の側壁に近接する領域において、絶縁膜43の側壁に沿って設けられている。第2領域22aのN形不純物濃度は、第1領域22cのN形不純物濃度よりも高い。
The
第2領域22aは、絶縁膜43の側壁に沿った方向にN形不純物の濃度勾配をもつ。第2領域22aのN形不純物濃度は、絶縁膜43の第1部分43aに近接する領域から、絶縁膜43の第2部分43bに近接する領域に向かって段階的または連続的に高くなっている。
The
第2領域22aにおいて絶縁膜43の第1部分43aに近接する領域のN形不純物濃度は、第2領域22aにおいて絶縁膜43の第2部分43bに近接する領域のN形不純物濃度よりも低い。
The concentration of N-type impurities in the region of the
ドリフト層22は、さらに、絶縁膜43のボトムに近接する領域に設けられ、第1領域22cよりもN形不純物濃度が高い第3領域22bを有する。第3領域22bのN形不純物濃度は、第2領域22aにおいて絶縁膜43の第1部分43aに近接する領域のN形不純物濃度よりも高い。
The
以上説明した半導体装置において、ドレイン電極11とソース電極12との間に電位差が与えられる。ドレイン電極11に印加される電位は、ソース電極12に印加される電位よりも高い。フィールドプレート電極50はソース電極12と電気的に接続され、フィールドプレート電極50にはソース電極12に与えられる電位と同じ電位が与えられる。
In the semiconductor device described above, a potential difference is given between the
半導体装置のオン動作時には、ゲート電極30にしきい値電圧以上の電位が与えられ、ベース層23におけるゲート電極30に対向する領域に反転層(N形のチャネル)が形成される。そして、ドレイン層21、ドリフト層22、チャネル、およびソース層24を通じて、ドレイン電極11とソース電極12との間を電流が流れる。
When the semiconductor device is on, a potential equal to or higher than the threshold voltage is applied to the
ゲート電極30の電位がしきい値電圧より低い電位になると、チャネルがカットオフされ、半導体装置はオフ状態となる。このオフ状態のとき、ベース層23とドリフト層22とのPN接合から、および絶縁膜43とドリフト層22との境界から、ドリフト層22中に空乏層が広がり、半導体装置の耐圧が保持される。
When the potential of the
フィールドプレート電極50は、ドリフト層22における縦方向の電位変化を緩やかにする。そして、フィールドプレート電極50とドリフト層22との間に設けられた絶縁膜43の膜厚が、ソース電極12側からドレイン電極11側に向かって段階的に厚くなっているため、ドリフト層22内における縦方向の電界強度分布を平坦に近い分布にすることができる。これは、ドリフト層22内の縦方向の電界強度の積分値を大きくし、耐圧を向上させる。
The
また、ドリフト層22において、絶縁膜43の側壁に近接した領域(第2領域)22aのN形不純物濃度は、他の領域(第1領域)22cのN形不純物濃度よりも高い。したがって、ドリフト層22中に、縦方向に沿った抵抗が低い電流経路が形成され、オン抵抗を低減できる。
Further, in the
また、絶縁膜43のボトムに近接した領域(第3領域)22bのN形不純物濃度も、第1領域22cのN形不純物濃度よりも高く、その第3領域22bの一部は第2領域22aの下にも広がっている。そのため、第2領域22aとドレイン層21との間の領域も低抵抗化できる。
Further, the concentration of N-type impurities in the region (third region) 22b close to the bottom of the insulating
実施形態の半導体装置によれば、ドリフト層22の一部領域の不純物濃度を高くしつつも、前述した膜厚差をもつ絶縁膜43による効果で耐圧の低下を抑制できる。すなわち、実施形態によれば、低オン抵抗と高耐圧とを両立した半導体装置を提供できる。
According to the semiconductor device of the embodiment, it is possible to suppress a decrease in withstand voltage due to the effect of the insulating
次に、図3(a)〜図11を参照して、実施形態の半導体装置の製造方法について説明する。 Next, a method of manufacturing the semiconductor device according to the embodiment will be described with reference to FIGS. 3A to 11.
図3(a)に示すように、ドリフト層22にトレンチT1が形成される。例えば、ドリフト層22の表面に形成したマスク層91を用いたRIE(Reactive Ion Etching)法によりトレンチT1が形成される。
As shown in FIG. 3A, a trench T1 is formed in the
そのトレンチT1内には、図3(b)に示すように、側壁膜71が形成される。側壁膜71は、例えばシリコン酸化膜である。側壁膜71は、マスク層91の上面、トレンチT1の側壁およびボトムに沿ってコンフォーマルに形成される。
As shown in FIG. 3B, a
次に、図4(a)に示すように、トレンチT1のボトムに形成された側壁膜71を例えばRIE法で除去する。マスク層91上の側壁膜71も除去される。トレンチT1のボトムにドリフト層22が露出する。
Next, as shown in FIG. 4A, the
次に、図4(b)に示すように、トレンチT1の下にトレンチT2を形成する。マスク層91および側壁膜71をマスクにしたRIE法でトレンチT2が形成される。トレンチT2の幅は、トレンチT1の幅よりも小さい。
Next, as shown in FIG. 4B, the trench T2 is formed under the trench T1. The trench T2 is formed by the RIE method using the
次に、図5(a)に示すように、マスク層91の上面、およびトレンチT1内の側壁膜71の側面にストッパー膜72を形成する。その後、トレンチT1内およびトレンチT2内に側壁膜73を形成する。側壁膜73は、マスク層91の上面、側壁膜71の側面、トレンチT2の側壁およびボトムに沿ってコンフォーマルに形成される。例えば、ストッパー膜72はシリコン窒化膜であり、側壁膜73はシリコン酸化膜である。マスク層91と側壁膜73との間、および側壁膜71と側壁膜73との間に、ストッパー膜72が形成されている。
Next, as shown in FIG. 5A, a
次に、トレンチT2のボトムに形成された側壁膜73を例えばRIE法で除去した後、図5(b)に示すように、トレンチT2の下にトレンチT3を形成する。トレンチT2のボトムの側壁膜73を除去するとき、マスク層91上の側壁膜73も除去される。このとき、マスク層91上のストッパー膜72はエッチングストッパーとして機能する。
Next, the
トレンチT3は、ストッパー膜72および側壁膜73をマスクにしたRIE法で形成される。トレンチT3の幅は、トレンチT1の幅およびトレンチT2の幅よりも小さい。
The trench T3 is formed by the RIE method using the
次に、図6(a)および図10に示すように、トレンチT3の側壁にN形不純物として例えばヒ素またはリンがイオン注入法により注入される。不純物は、半導体層(ドレイン層21、ドリフト層22)の主面に対して傾斜した方向からトレンチT3の側壁に注入される。ドリフト層22におけるトレンチT3の側壁に近接する領域に、イオン注入前のドリフト層22のN形不純物濃度よりもN形不純物濃度が高い領域22aが形成される。トレンチT3のボトムにも不純物は注入される。
Next, as shown in FIGS. 6A and 10, for example, arsenic or phosphorus is implanted into the side wall of the trench T3 as an N-type impurity by an ion implantation method. The impurities are injected into the side wall of the trench T3 from a direction inclined with respect to the main surface of the semiconductor layer (
トレンチT3の幅をW1、トレンチT1〜T3のトータルの深さをd1とすると、トレンチT3の側壁に対する不純物の入射角度θは、θ=tan−1(d1/W1)で規定することができる。 Assuming that the width of the trench T3 is W1 and the total depth of the trenches T1 to T3 is d1, the incident angle θ of impurities with respect to the side wall of the trench T3 can be defined by θ = tan -1 (d1 / W1).
このとき、トレンチT1の側壁は側壁膜71および側壁膜73で覆われ、トレンチT2の側壁は側壁膜73で覆われているため、トレンチT1の側壁およびトレンチT2の側壁には不純物は注入されない。
At this time, since the side wall of the trench T1 is covered with the
次に、側壁膜73を除去する。側壁膜73が除去され、図6(b)および図11に示すように、トレンチT2の側壁が露出する。
Next, the
そして、トレンチT2の側壁にN形不純物として例えばヒ素またはリンがイオン注入法により注入される。このときも、不純物は、半導体層(ドレイン層21、ドリフト層22)の主面に対して傾斜した方向からトレンチT2の側壁に注入される。ドリフト層22におけるトレンチT2の側壁に近接する領域に、イオン注入前のドリフト層22のN形不純物濃度よりもN形不純物濃度が高い領域22aが形成される。
Then, for example, arsenic or phosphorus is implanted into the side wall of the trench T2 as an N-type impurity by an ion implantation method. Also at this time, the impurities are injected into the side wall of the trench T2 from the direction inclined with respect to the main surface of the semiconductor layer (
このとき、トレンチT1の側壁は側壁膜71および側壁膜73で覆われ、トレンチT1の側壁には不純物は注入されない。
At this time, the side wall of the trench T1 is covered with the
トレンチT3の幅をW1、トレンチT2の側壁とトレンチT3の側壁との間の幅をW2、トレンチT1〜T3のトータルの深さをd1、トレンチT3の深さをd2とすると、トレンチT2の側壁に対する不純物の入射角度θ2は、θ2=tan−1(d1−d2/W1+W2×2)で規定することができる。 Assuming that the width of the trench T3 is W1, the width between the side wall of the trench T2 and the side wall of the trench T3 is W2, the total depth of the trenches T1 to T3 is d1, and the depth of the trench T3 is d2, the side wall of the trench T2 The incident angle θ2 of the impurities with respect to the above can be specified by θ2 = tan -1 (d1-d2 / W1 + W2 × 2).
また、トレンチT2の側壁とトレンチT3の側壁に同時に不純物を注入することもできる。このときの不純物の入射角度θ1は、θ1=tan−1(d1/W1+W2)で規定することができる。 Impurities can also be injected into the side wall of the trench T2 and the side wall of the trench T3 at the same time. The incident angle θ1 of the impurities at this time can be defined by θ1 = tan -1 (d1 / W1 + W2).
いずれにしても、図10および図11に示す工程を経て、ドリフト層22におけるトレンチT3の側壁に近接する領域のN形不純物濃度が、ドリフト層22におけるトレンチT2の側壁に近接する領域のN形不純物濃度よりも高くなるようにする。イオン注入後、注入された不純物を拡散させる熱処理が行われる。
In any case, through the steps shown in FIGS. 10 and 11, the concentration of N-type impurities in the region of the
その後、図6(b)に示す状態で残っている側壁膜71、ストッパー膜72、およびマスク層91を除去する。それら膜が除去され、図7(a)に示すように、トレンチT1〜T3が段を形成して深さ方向につながったトレンチTが表れる。
After that, the
トレンチTの幅は深さ方向に向かって段階的に小さくなり、トレンチTの側壁は深さ方向に沿った階段状の段差をもつ。 The width of the trench T gradually decreases in the depth direction, and the side wall of the trench T has a stepped step along the depth direction.
図7(a)に示す例では、3段階の幅をもつトレンチTを示すが、トレンチTは少なくとも2段階の幅をもっていればよい。 In the example shown in FIG. 7A, the trench T having a width of three steps is shown, but the trench T may have a width of at least two steps.
3段階の幅をもつトレンチTの場合、相対的に下側のトレンチT3の側壁に対して図6(a)に示す1回目の傾斜イオン注入を行い、この後、相対的に上側のトレンチT2の側壁に対して図6(b)に示す2回目の傾斜イオン注入を行う。 In the case of the trench T having a width of three stages, the first inclined ion implantation shown in FIG. 6A is performed on the side wall of the trench T3 on the relatively lower side, and then the trench T2 on the relatively upper side is implanted. The second inclined ion implantation shown in FIG. 6 (b) is performed on the side wall of the.
次に、トレンチTの側壁に露出するシリコン層であるドリフト層22に対して熱酸化反応を進行させ、図7(b)に示すように、トレンチTの側壁にシリコン酸化膜である絶縁膜43を形成する。トレンチTのボトム、およびドリフト層22の上面にも絶縁膜43が形成される。
Next, a thermal oxidation reaction is allowed to proceed with the
シリコン層の熱酸化速度はシリコン層の不純物濃度に依存する。不純物濃度が高い部分ほど熱酸化速度が速くなる。熱酸化処理時間が同じ条件において、不純物濃度が高い部分ほどシリコン酸化膜の膜厚が厚くなる。 The thermal oxidation rate of the silicon layer depends on the impurity concentration of the silicon layer. The higher the impurity concentration, the faster the thermal oxidation rate. Under the same conditions of thermal oxidation treatment time, the higher the impurity concentration, the thicker the silicon oxide film.
ドリフト層22においてトレンチTの側壁に近接する領域には、前述したイオン注入により、深さ方向にN形不純物の濃度勾配が形成されている。ドリフト層22においてトレンチT3の側壁に近接する領域のN形不純物濃度は、ドリフト層22においてトレンチT2の側壁に近接する領域のN形不純物濃度よりも高く、ドリフト層22においてトレンチT2の側壁に近接する領域のN形不純物濃度は、ドリフト層22においてトレンチT1の側壁に近接する領域のN形不純物濃度よりも高い。
In the region of the
したがって、トレンチT3の側壁に成長する絶縁膜(シリコン酸化膜)43の第2部分43bの膜厚は、トレンチT2の側壁に成長する絶縁膜43の中間部分43cの膜厚よりも厚く、トレンチT2の側壁に成長する絶縁膜43の中間部分43cの膜厚は、トレンチT1の側壁に成長する絶縁膜43の第1部分43aの膜厚よりも厚くなる。絶縁膜43の膜厚は、トレンチTの深さ方向に向かって段階的に厚くなる。
Therefore, the film thickness of the
図12は、増速酸化率の不純物ドーズ量依存性のシミュレーション結果を示すグラフである。 FIG. 12 is a graph showing the simulation results of the impurity dose amount dependence of the accelerated oxidation rate.
縦軸は、絶縁膜43の第1部分43aの成長速度を基準にした相対的な増速酸化率(%)を表す。
The vertical axis represents the relative accelerated oxidation rate (%) based on the growth rate of the
横軸は、図6(b)および図11に示す2回目の不純物ドーズ量2nd−Qd(個/cm2)を表す。グラフ中に、図6(a)および図10に示す1回目の不純物ドーズ量1st−Qd(個/cm2)をプロットしている。1回目および2回目とも、加速電圧10keVでヒ素を注入した条件としている。 The horizontal axis represents the second impurity dose amount 2nd-Qd (pieces / cm 2 ) shown in FIGS. 6 (b) and 11. In the graph, the first impurity dose amount 1st-Qd (pieces / cm 2 ) shown in FIGS. 6 (a) and 10 is plotted. Both the first and second times are under the condition that arsenic is injected at an acceleration voltage of 10 keV.
図12のシミュレーション結果より、トレンチT2の側壁に対する2nd−Qdを1×1015(個/cm2)、トレンチT3の側壁に対する2nd−Qdを1×1015(個/cm2)および1st−Qdを5×1015(個/cm2)とした場合には、絶縁膜43の中間部分43cの膜厚Tcは第1部分43aの膜厚Taの1.8倍に、第2部分43bの膜厚Tbは第1部分43aの膜厚Taの2.38倍にすることができる。
From the simulation results of FIG. 12, 2nd-Qd for the side wall of the trench T2 is 1 × 10 15 (pieces / cm 2 ), 2nd-Qd for the side wall of the trench T3 is 1 × 10 15 (pieces / cm 2 ) and 1st-Qd. When is 5 × 10 15 (pieces / cm 2 ), the film thickness Tc of the
絶縁膜43を形成した後、絶縁膜43の内側に残っている空洞に電極材として例えば多結晶シリコンを埋め込む。その多結晶シリコンを例えばエッチバックで後退させ、図8(a)に示すように、トレンチT内に段付きのフィールドプレート電極50が形成される。
After forming the insulating
そのフィールドプレート電極50の上面上に、図8(b)に示すように絶縁膜42を形成した後、その絶縁膜42上のトレンチT内に、例えば多結晶シリコンのゲート電極30を形成する。
An insulating
その後、ドリフト層22の表面にP形不純物を注入し、図9(a)に示すように、ドリフト層22の表面にP形のベース層23を形成する。さらに、そのベース層23の表面にN形不純物を注入し、ベース層23上にN形のソース層24を形成する。
After that, P-type impurities are injected into the surface of the
その後、図9(b)に示すように、ゲート電極30上およびソース層24上に層間絶縁膜45を形成する。層間絶縁膜45、ソース層24、およびベース層23にはコンタクトトレンチ81が形成される。コンタクトトレンチ81は、層間絶縁膜45およびソース層24を貫通してベース層23の途中まで達する。
After that, as shown in FIG. 9B, an
コンタクトトレンチ81のボトムのベース層23の表面に、図2に示すベースコンタクト25を形成した後、コンタクトトレンチ81内にソース電極12を形成する。ソース電極12は、ソース層24の側面に接する。また、層間絶縁膜45を平面方向に後退させて、ソース層24の上面にソース電極12が接するようにすることもできる。
After forming the
以上説明した実施形態の半導体装置の製造方法によれば、トレンチT2、T3の側壁に斜め方向から不純物を注入するとき、ベース層23やソース層24の形成領域には不純物が注入されない。そのため、チャネル抵抗やしきい値電圧の制御性に影響を与えない。
According to the method for manufacturing a semiconductor device of the above-described embodiment, when impurities are injected into the side walls of the trenches T2 and T3 from an oblique direction, the impurities are not injected into the formation regions of the
図13は、実施形態の半導体装置の他の例を示す模式断面図である。 FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing another example of the semiconductor device of the embodiment.
絶縁膜43を形成するときの熱酸化条件の制御により、図13に示すように、絶縁膜43の側壁に段差が形成されないようにすることもできる。
By controlling the thermal oxidation conditions when the insulating
図14は、実施形態の半導体装置のさらに他の例を示す模式断面図である。 FIG. 14 is a schematic cross-sectional view showing still another example of the semiconductor device of the embodiment.
図14に示す例では、フィールドプレート電極50は、ゲート電極30と同じ材料(例えば多結晶シリコン)で一体に設けられている。したがって、フィールドプレート電極50には、ゲート電極30と同じ電位(ゲート電位)が与えられる。
In the example shown in FIG. 14, the
図15(a)〜(c)は、図14に示す半導体装置の製造方法を示す模式断面図である。 15 (a) to 15 (c) are schematic cross-sectional views showing a method of manufacturing the semiconductor device shown in FIG.
図7(b)に示す工程まで前述した実施形態と同様に進めた後、図15(a)に示すように、トレンチT内に、フィールドプレート電極50およびゲート電極30となる電極材を埋め込む。電極材の上面は、ドリフト層22の表面近くに位置させる。
After proceeding to the step shown in FIG. 7 (b) in the same manner as in the above-described embodiment, the electrode materials to be the
その後、ドリフト層22の表面にP形不純物を注入し、図15(b)に示すように、ドリフト層22の表面にP形のベース層23を形成する。さらに、そのベース層23の表面にN形不純物を注入し、ベース層23上にN形のソース層24を形成する。
After that, P-type impurities are injected into the surface of the
その後、図15(c)に示すようにコンタクトトレンチ81を形成し、図14に示すベースコンタクト領域25およびソース電極12の形成が続けられる。
After that, the
以上説明した実施形態では、MOSFET構造の半導体装置を例示したが、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)構造の半導体装置であってもよい。IGBT構造の半導体装置は、例えば、図2、13、14における電極11とN+形の層21との間にP+形の層を備える。
In the embodiment described above, a semiconductor device having a MOSFET structure has been exemplified, but a semiconductor device having an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) structure may be used. The semiconductor device having an IGBT structure includes, for example, a P + -shaped layer between the electrode 11 and the N + -shaped
実施形態の半導体装置によれば、前記フィールドプレート電極は、前記第2電極と電気的に接続されている。 According to the semiconductor device of the embodiment, the field plate electrode is electrically connected to the second electrode.
実施形態の半導体装置によれば、前記フィールドプレート電極は、前記ゲート電極と一体に設けられている。 According to the semiconductor device of the embodiment, the field plate electrode is provided integrally with the gate electrode.
実施形態の半導体装置によれば、前記第2絶縁膜はシリコン酸化膜である。 According to the semiconductor device of the embodiment, the second insulating film is a silicon oxide film.
実施形態の半導体装置の製造方法によれば、前記トレンチの前記側壁に前記段差を形成する工程は、上側トレンチを形成する工程と、前記上側トレンチの側壁に第1側壁膜を形成する工程と、前記第1側壁膜をマスクにした異方性エッチングにより、前記上側トレンチの下に前記上側トレンチよりも幅が小さい下側トレンチを形成する工程と、を有する。 According to the method for manufacturing a semiconductor device of the embodiment, the steps of forming the step on the side wall of the trench include a step of forming an upper trench and a step of forming a first side wall film on the side wall of the upper trench. It comprises a step of forming a lower trench having a width smaller than that of the upper trench under the upper trench by anisotropic etching using the first side wall film as a mask.
実施形態の半導体装置の製造方法によれば、前記不純物を前記半導体層に注入する工程は、前記上側トレンチの前記側壁を前記第1側壁膜で覆った状態で、前記半導体層における前記下側トレンチの側壁に近接する領域に不純物を注入する工程と、前記第1側壁膜を除去した後、前記半導体層における前記上側トレンチの前記側壁に近接する領域に不純物を注入する工程と、を有する。 According to the method for manufacturing a semiconductor device of the embodiment, in the step of injecting the impurities into the semiconductor layer, the lower trench in the semiconductor layer is covered with the first side wall film of the upper trench. It includes a step of injecting impurities into a region close to the side wall of the semiconductor layer, and a step of injecting impurities into a region of the semiconductor layer close to the side wall of the upper trench after removing the first side wall film.
実施形態の半導体装置の製造方法によれば、前記第1側壁膜を除去した後、前記半導体層における前記下側トレンチの前記側壁に近接する前記領域にも不純物を注入する。 According to the method for manufacturing a semiconductor device of the embodiment, after removing the first side wall film, impurities are also injected into the region of the semiconductor layer close to the side wall of the lower trench.
実施形態の半導体装置の製造方法によれば、前記絶縁膜を形成した後、第1導電形の前記半導体層の表面に、第2導電形の半導体層を形成する工程と、前記第2導電形の半導体層の表面に、第1導電形の半導体層を形成する工程と、をさらに備えている。 According to the method for manufacturing a semiconductor device of the embodiment, a step of forming a second conductive semiconductor layer on the surface of the first conductive semiconductor layer after forming the insulating film, and a second conductive type semiconductor layer. A step of forming a first conductive semiconductor layer on the surface of the semiconductor layer of the above is further provided.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although some embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.
11…ドレイン電極、12…ソース電極、20…半導体層、21…ドレイン層、22…ドリフト層、23…ベース層、24…ソース層、25…ベースコンタクト領域、30…ゲート電極、41〜43…絶縁膜、45…層間絶縁膜、50…フィールドプレート電極 11 ... Drain electrode, 12 ... Source electrode, 20 ... Semiconductor layer, 21 ... Drain layer, 22 ... Drift layer, 23 ... Base layer, 24 ... Source layer, 25 ... Base contact region, 30 ... Gate electrode, 41-43 ... Insulating film, 45 ... interlayer insulating film, 50 ... field plate electrode
Claims (4)
前記第1電極上に設けられた第1導電形の第1半導体層と、
前記第1半導体層上に設けられた第2導電形の第2半導体層と、
前記第2半導体層上に設けられた第1導電形の第3半導体層と、
前記第3半導体層に接する第2電極と、
前記第3半導体層の側面に対向するゲート電極と、
前記第3半導体層の前記側面と前記ゲート電極との間に設けられた第1絶縁膜と、
前記ゲート電極の下において前記第1半導体層に形成され、前記第1電極に向かうにつれて段階的に幅が小さくなるトレンチ内に設けられたフィールドプレート電極であって、前記ゲート電極側に設けられた上部と、前記上部よりも前記第1電極側に設けられ、前記上部よりも幅が小さい下部と、を有するフィールドプレート電極と、
前記第1半導体層と前記フィールドプレート電極との間に設けられた第2絶縁膜であって、前記フィールドプレート電極の前記上部と前記第1半導体層との間に設けられた第1部分と、前記フィールドプレート電極の前記下部と前記第1半導体層との間に設けられ、前記第1部分よりも膜厚が厚い第2部分と、を有する第2絶縁膜と、
を備え、
前記第2絶縁膜における前記第1半導体層に接する側壁は、前記第1電極と前記第2電極とを結ぶ方向に沿った階段状の段差をもち、
前記第1半導体層は、
第1領域と、
前記第1領域と前記第2絶縁膜の前記側壁との間における前記第2絶縁膜の前記側壁に近接する領域に設けられ、前記第1領域よりも第1導電形不純物濃度が高い第2領域と、
を有し、
前記第2領域における前記第2絶縁膜の前記第1部分に近接する領域の第1導電形不純物濃度は、前記第1領域の第1導電形不純物濃度よりも高く、前記第2領域における前記第2絶縁膜の前記第2部分に近接する領域の第1導電形不純物濃度よりも低い半導体装置。 With the first electrode
The first conductive type first semiconductor layer provided on the first electrode and
A second conductive type second semiconductor layer provided on the first semiconductor layer,
The first conductive type third semiconductor layer provided on the second semiconductor layer and
The second electrode in contact with the third semiconductor layer and
A gate electrode facing the side surface of the third semiconductor layer and
A first insulating film provided between the side surface of the third semiconductor layer and the gate electrode, and
Formed in Oite the first semiconductor layer under the gate electrode, the stepwise width toward the first electrode is a field plate electrode provided in the trench becomes smaller, provided on the gate electrode side A field plate electrode having an upper portion and a lower portion provided on the first electrode side of the upper portion and having a width smaller than that of the upper portion.
A second insulating film provided between the first semiconductor layer and the field plate electrode, the first portion provided between the upper portion of the field plate electrode and the first semiconductor layer, and A second insulating film provided between the lower portion of the field plate electrode and the first semiconductor layer and having a second portion having a film thickness thicker than that of the first portion.
With
The side wall of the second insulating film in contact with the first semiconductor layer has a stepped step along the direction connecting the first electrode and the second electrode.
The first semiconductor layer is
The first area and
Wherein provided in a region adjacent to the sidewall of the second insulating film between the side walls, the second region is a first conductivity type impurity concentration higher than the first region of the first region and the second insulating film When,
Have a,
The concentration of the first conductive impurity in the region close to the first portion of the second insulating film in the second region is higher than the concentration of the first conductive impurity in the first region, and the second in the second region. 2. A semiconductor device having a concentration lower than that of the first conductive impurity in a region close to the second portion of the insulating film.
前記第1半導体層は、
前記第2絶縁膜のボトムに近接する領域に設けられ、前記第1領域よりも第1導電形不純物濃度が高く、前記ドレイン層よりも第1導電型不純物濃度が低い第3領域をさらに有する請求項1記載の半導体装置。 A drain layer provided between the first electrode and the first semiconductor layer and having a higher concentration of first conductive impurities than the first semiconductor layer is further provided.
The first semiconductor layer is
Provided in a region close to the bottom of the second insulating film, further comprising the than the first region a first conductivity type impurity concentration is rather high, the third region is lower first conductivity type impurity concentration than the drain layer The semiconductor device according to claim 1.
前記半導体層における前記トレンチの段差をもつ前記側壁に近接する領域に不純物を注入し、前記半導体層の前記領域に、深さ方向に向かって段階的に不純物濃度が高くなる濃度勾配をもたせる工程と、
前記トレンチにおける段差を形成して深さ方向につながった前記側壁に近接する前記半導体層における前記不純物が注入された領域を熱酸化し、前記トレンチの前記側壁に、深さ方向に向かって段階的に膜厚が厚くなる絶縁膜を形成する工程と、
前記トレンチ内における前記絶縁膜の内側に、電極材を形成する工程と、
を備えた半導体装置の製造方法。 A step of forming a trench in a semiconductor layer, in which the width of the trench gradually decreases in the depth direction and a trench having a side wall having a step is formed.
A step of injecting impurities into a region of the semiconductor layer close to the side wall having a step of the trench, and giving the region of the semiconductor layer a concentration gradient in which the impurity concentration gradually increases in the depth direction. ,
The region in which the impurities are injected in the semiconductor layer close to the side wall connected in the depth direction by forming a step in the trench is thermally oxidized, and the side wall of the trench is stepwise toward the depth direction. The process of forming an insulating film with a thicker film thickness
A step of forming an electrode material inside the insulating film in the trench, and
A method for manufacturing a semiconductor device provided with.
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